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沉積在增材制造的 AlSi10Mg上的DLC薄膜的摩擦和磨損:表面精加工的作用

關(guān)鍵詞 磨損 , 磨料|2023-07-20 14:16:11|來源 深圳真空行業(yè)協(xié)會(huì)
摘要 最近在汽車行業(yè)引入增材制造,為零部件生產(chǎn)中的高級定制和優(yōu)化資源消耗鋪平了道路。然而,增材制造零件典型的較差表面光潔度阻礙了它們在未經(jīng)進(jìn)一步加工的情況下的實(shí)際使用。控制粗糙度在施加涂...

摘要

最近在汽車行業(yè)引入增材制造,為零部件生產(chǎn)中的高級定制和優(yōu)化資源消耗鋪平了道路。然而,增材制造零件典型的較差表面光潔度阻礙了它們在未經(jīng)進(jìn)一步加工的情況下的實(shí)際使用。控制粗糙度在施加涂層時(shí)尤其重要,但可能意味著制造成本的顯著增加,具體取決于所需的精加工水平。在這項(xiàng)工作中,研究了類金剛石碳 (DLC) 涂層與增材制造金屬材料的尚未探索的組合。特別是,基材采用通過選擇性激光熔化制造的AlSi10Mg鋁合金圓盤形式。從摩擦學(xué)的角度研究涂層的有效性,重點(diǎn)關(guān)注表面形貌產(chǎn)生的影響。為此,AlSi10Mg 圓盤采用不同的精加工技術(shù)組合進(jìn)行加工,并通過磁控濺射沉積了aCDLC。所得薄膜厚度為 1.7 μm,均方根粗糙度范圍為0.28 至2.67 μm。球盤摩擦測試表明,對于未涂層的樣品,薄膜的存在使摩擦系數(shù)顯著降低,達(dá)到低至0.15 和1?10-6 mm3(N·m)?1,分別。最值得注意的是,如果根據(jù)涂層粗糙度繪制,摩擦和磨損都表現(xiàn)出最小值。這種行為,用研磨和粘合機(jī)制來解釋,表明存在中間范圍的粗糙度,可以最大限度地減少摩擦和磨損,因此表明不需要高水平的精加工來實(shí)現(xiàn)良好的摩擦學(xué)性能。

介紹

類金剛石碳 (DLC) 涂層目前在汽車工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用,并成為開發(fā)航天器性能優(yōu)異的固體潤滑劑的有前景的基礎(chǔ)材料。在這些領(lǐng)域,人們對 DLC 薄膜越來越感興趣,因?yàn)樗鼈兡軌虮Wo(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)部件、傳動(dòng)部件和可移動(dòng)設(shè)備免受磨損,同時(shí)在惡劣的操作條件下提供低摩擦力。此外,它們可以適應(yīng)從高真空到液體介導(dǎo)接觸的各種工作環(huán)境,例如通過調(diào)整其相組成和氫含量、添加摻雜劑或在DLC 矩陣中嵌入納米顆粒。

DLC 優(yōu)異的摩擦學(xué)性能,即低摩擦系數(shù)(CoF) 和磨損率,在很大程度上是由碳原子同時(shí)發(fā)生的sp2和sp3雜化決定的。類金剛石C C sp 3鍵可提高硬度和耐磨性,而類石墨 sp 2鍵可促進(jìn)剪切。DLC 薄膜的有效性已在不同的實(shí)驗(yàn)條件下對傳統(tǒng)方法制造的組件進(jìn)行了廣泛的論證和記錄。

最近,增材制造(AM)技術(shù)作為機(jī)械零件制造的替代解決方案脫穎而出。特別是,選擇性激光熔化(SLM)已被開發(fā)用于加工金屬材料,例如鋁合金。SLM 的優(yōu)點(diǎn)包括可以按需生產(chǎn)具有復(fù)雜幾何形狀的零件,同時(shí)降低成本和材料消耗。

由于這些優(yōu)點(diǎn),最近人們對用于汽車和航空航天應(yīng)用的 SLM 加工的可硬化鋁合金AlSi10Mg 給予了極大的關(guān)注,也可以替代較重的材料。在 AlSi10Mg 中,SLM 過程中應(yīng)用的高能量密度和激光束產(chǎn)生的快速加熱/冷卻速率導(dǎo)致快速凝固,從而能夠在亞微米尺寸的鋁電池周圍形成精細(xì)的硅網(wǎng)絡(luò),而這在傳統(tǒng)鑄造過程中會(huì)受到阻礙。這種精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)提高了AlSi10Mg 產(chǎn)品的硬度和拉伸強(qiáng)度 。然而,盡管鋁硅合金具有低密度、高比強(qiáng)度和高導(dǎo)熱率等更有吸引力的特性,但總的來說,它不具有良好的摩擦學(xué)行為。

功能涂層是改善鋁合金摩擦和磨損性能的一種可能選擇,但其在 SLM 材料上的可行性仍然是一個(gè)懸而未決的問題。事實(shí)上,SLM 過程中可能會(huì)產(chǎn)生氣體孔隙度;盡管金屬粉末的適當(dāng)干燥和工藝參數(shù)的調(diào)整有助于其減少,但殘留的孔隙可能會(huì)損害涂層的附著力。此外,竣工的SLM 零件的特點(diǎn)是表面光潔度較差,具有二維算術(shù)平均粗糙度(Ra)值通常大于 5 μm,因此在涂層沉積之前必須進(jìn)行后處理處理以降低粗糙度(例如研磨、研磨等)。當(dāng)然,這個(gè)中間步驟不僅增加了制造過程的成本,而且還會(huì)影響涂層的性能,具體取決于最終的粗糙度。

對于DLC薄膜,Jiang和Arnell已經(jīng)報(bào)道了摩擦學(xué)特性對基底形貌的依賴性,他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)增加基底的粗糙度時(shí),涂層的磨損率顯著增加(Ra,范圍為 0.01 至1.15 μm)。相反,摩擦系數(shù)顯然沒有受到影響。相比之下,Ohana 等人。在R a >110 nm的樣品中不再檢測到薄膜損壞,而對應(yīng)的樣品則測量到更大的磨損率。女高音等人。 根據(jù)涂層粗糙度(以3D 均方根粗糙度Sq表示),確定了氫化DLC 薄膜的兩個(gè)摩擦學(xué)性能系列)。發(fā)現(xiàn)“光滑”表面(Sq= 0.08–0.11 μm)的摩擦系數(shù)是“粗糙”表面(Sq = 0.17–0.23 μm),但伴隨著涂層的更高磨損。這種差異歸因于在對應(yīng)物上形成了轉(zhuǎn)移層,該轉(zhuǎn)移層因高粗糙度而受到抑制。沙哈等人。在研究粗糙度對DLC 涂層摩擦學(xué)性能的影響時(shí)強(qiáng)調(diào)了對應(yīng)硬度的作用。根據(jù)對應(yīng)物/涂層硬度比,摩擦和磨損呈現(xiàn)出各種趨勢,該比值與粗糙度一起控制磨合過程中對應(yīng)物的磨料磨損和轉(zhuǎn)移膜形成的效率。然而,他們的分析僅限于非常窄的涂層粗糙度范圍(Sq=1.5–6.0 nm)。

上述研究得出的稀疏結(jié)論表明,DLC 薄膜的表面形貌與摩擦學(xué)性能之間存在的關(guān)系還遠(yuǎn)未得到充分了解。此外,迄今為止發(fā)現(xiàn)的DLC 性能結(jié)果僅涉及沉積在傳統(tǒng)制造材料上的涂層。因此,當(dāng)考慮增材制造基材時(shí),需要進(jìn)一步研究來評估DLC 薄膜的CoF 和磨損率,因?yàn)楸娝苤珼LC 的摩擦學(xué)性能是內(nèi)在和外在參數(shù)的特定組合所特有的,包括基質(zhì)的特性。
在目前的工作中,評估了DLC 薄膜與SLM AlSi10Mg 基材結(jié)合用于摩擦學(xué)應(yīng)用的可能性,重點(diǎn)關(guān)注與表面形貌相關(guān)的影響。為此,SLM制造的基板首先采用不同的精加工程序組合進(jìn)行處理,以降低和控制AlSi10Mg頂面的粗糙度,隨后通過磁控濺射沉積DLC涂層。通過這種方式獲得了覆蓋一個(gè)數(shù)量級的寬范圍涂層粗糙度,并從硬度、化學(xué)成分和摩擦學(xué)行為的角度分析了其對DLC性能的影響。特別是,在不同負(fù)載下進(jìn)行球盤配置的滑動(dòng)測試。根據(jù)粘合和研磨機(jī)制提取并討論CoF 和磨損率,并根據(jù)實(shí)際意義評估表面處理的作用。掃描電子顯微鏡和X 射線衍射用于檢查磨損痕跡并解釋發(fā)生薄膜分層的原因。

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